LYCOPENEβ-CYCLASE过表达通过调控激素含量和根际互作改善烟草和番茄根系生长的新机制

《Plant Cell Reports》：LYCOPENE β-CYCLASE overexpression improves growth, modulates hormone content, and affects rhizospheric interactions in tobacco and tomato roots

本研究针对植物根系发育和根际互作调控机制不足的问题，开展了LYCOPENEβ-CYCLASE(LCYB)基因过表达对烟草和番茄根系影响的系统性研究。通过代谢组学、激素组学和生物学互作实验，发现LCYB过表达能显著促进根系生长，降低独脚金内酯(SLs)含量，从而减少根寄生植物Striga种子萌发和丛枝菌根真菌(AMF)定殖频率。该研究为开发抗逆性强、抗寄生杂草的新一代作物提供了理论依据，对应对全球气候变化下的农业生产具有重要意义。

　　

在植物与微生物的隐秘对话中，根系始终扮演着关键角色。它们不仅锚定植物、吸收养分，更通过释放化学信号与土壤中的微生物和寄生植物进行着复杂的交流。然而，这种交流有时会带来灾难性后果——当作物根系释放的独脚金内酯(strigolactones, SLs)信号被寄生植物Striga"窃听"时，就会引发大规模的寄生侵染，导致非洲等地区粮食减产高达100%。与此同时，丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)作为植物的有益共生伙伴，其定殖效率也受SLs调控，这为作物抗逆性提升带来了新的挑战。

面对这一困境，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)Salim Al-Babili团队将目光投向了类胡萝卜素代谢通路的关键酶——番茄红素β-环化酶(lycopene β-cyclase, LCYB)。此前研究发现，LCYB作为β-胡萝卜素合成的关键酶，其过表达能显著提高作物维生素A原含量，但对其在根系发育和根际互作中的功能却知之甚少。发表在《Plant Cell Reports》的这项研究首次揭示了LCYB过表达通过重塑根系激素谱和代谢网络，进而影响植物与土壤生物互作的新机制。

研究人员采用多组学联用技术，包括高效液相色谱(HPLC)分析类胡萝卜素谱、超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)检测脱落酸(abscisic acid, ABA)和独脚金内酯含量、激素组学(hormonomics)全面分析植物内源激素，并结合转基因材料表型分析、Striga种子萌发生物测定和丛枝菌根真菌定殖评估等实验方法。

LCYB过表达促进烟草和番茄根系生长

通过水培和土培实验发现，过表达胡萝卜DcLCYB1基因的烟草株系(L14、L15)和水仙NpLCYB基因的番茄株系(pNLyc#2、#22)均表现出显著的根系表型变化。35天龄转基因植株的根长比野生型增加约1.5倍，根鲜重和干重也同步提升。相反，LCYB RNA干扰株系则出现根系发育受抑现象，证实LCYB活性与根系生长存在正相关。

LCYB过表达调控根系类胡萝卜素和脱辅基类胡萝卜素含量

代谢分析显示，转基因烟草根系中β-胡萝卜素和紫黄质(violaxanthin)含量显著增加，而番茄根系中β-胡萝卜素提升约1.8倍。值得注意的是，脱辅基类胡萝卜素(apocarotenoids)谱呈现特异性变化：烟草中Apo-9(β-紫罗兰酮)和Apo-10含量下降，而Apo-13(D'Orenone)和Apo-14增加；番茄中Apo-11、D'Orenone和zaxinone异构体含量上升。这种选择性变化提示LCYB过表达可能通过改变代谢流方向影响特定信号分子的生成。

组成型LCYB过表达影响烟草激素模式

激素组学分析揭示了深刻的激素重编程现象。转基因根系中ABA含量大幅提升(烟草1.8倍，番茄4.8倍)，而茉莉酸(jasmonic acid, JA)保持稳定。更有趣的是，生长素(auxin)代谢呈现物种特异性差异：番茄中IAA增加，而烟草中IAA-天冬氨酸结合物等衍生物减少。细胞分裂素(cytokinin)谱也发生改变，表明LCYB过表达触发了复杂的激素网络重构。

LCYB过表达植株根系释放更少SLs从而降低Striga萌发

根分泌物分析显示，转基因植株中SLs含量显著降低。烟草中双脱氢列当醇(didehydro-orobanchol)完全缺失，番茄中双脱氢列当醇和solanacol含量下降。相应的生物学功能实验证实，转基因根系分泌物诱导Striga种子萌发的能力降低约10倍，这为控制根寄生杂草提供了新思路。

讨论与意义

本研究系统阐明了LCYB作为类胡萝卜素代谢枢纽的多重功能。该酶过表达不仅增加了β-胡萝卜素积累，更通过改变代谢流方向实现了ABA合成增强和SLs合成的同步抑制。这种"一石二鸟"的效应使作物既能通过提升ABA含量增强抗逆性，又可通过降低SLs水平减少寄生危害。

特别值得注意的是，根系中D'Orenone等脱辅基类胡萝卜素的增加可能通过类似zaxinone的机制抑制SLs合成，这为理解根系构型调控提供了新视角。虽然ABA水平升高预期应促进菌根共生，但SLs的显著降低可能主导了菌根定殖的抑制效应，体现了激素互作在调控植物-微生物互作中的复杂性。

这项研究突破了传统类胡萝卜素工程仅关注营养强化的局限，揭示了LCYB在协调植物生长发育与环境互作中的核心地位。通过单一基因操作实现根系构型优化、抗逆性提升和寄生抗性增强的多重目标，为应对全球气候变化下的农业生产挑战提供了创新策略。未来针对不同作物和生态系统的研究将进一步拓展LCYB基因的应用潜力，推动"多性状协同改良"的作物设计新范式。